上海軌道交通浦江線牽引供電系統設計創新

謝 勇 張國龍 劉 洋

(1. 中車浦鎮龐巴迪運輸系統有限公司，241060，蕪湖;2. 上海市隧道工程軌道交通設計研究院，200235，上海//第一作者,工程師)

上海軌道交通浦江線(又名上海軌道交通8號線三期)的功能定位為地鐵接駁線。該線起于地鐵8號線二期的終點——沈杜公路站，途經浦江鎮，止于匯臻路站，線路全長6.644 km，全部為高架線。浦江線為上海建成運營的首條APM(自動旅客動輸)線路，采用PBTS膠輪路軌APM 4節編組列車。列車牽引供電系統采用DC ±375 V，是國內第一條采用DC ±375 V供電制式的軌道交通線路。本文通過對比浦江線和傳統地鐵線路的直流牽引供電系統在設計上的差異，分析研究浦江線牽引供電系統中的設計創新項點。

1 浦江線的供電系統特點

浦江線是屬于膠輪路軌制式的一種自動導向軌道交通系統，其軌道結構中包括運行道、導向軌及其連接零件、道岔、車擋等。其運行道采用鋼筋混凝土結構，H型鋼導向軌沿線路中心位置安裝，車輛通過底部的導向輪與導向軌的接觸實現自動導向。正、負極供電軌以及接地軌安裝于導向軌腹板上部，正、負極供電軌為位于車輛底部左、右側的集電靴授流；導向軌上部中心安裝的接地軌則是通過與車輛接地靴的持續接觸，為車體提供可靠接地。圖1為典型的PBTS膠輪路軌APM車輛與軌道的接口示意圖。

圖1 PBTS膠輪路軌APM車輛與軌道接口示意圖

PBTS膠輪路軌APM車輛的牽引網電壓等級為直流750 V，符合IEC 60850—2014《鐵路設施 牽引裝置的供電電壓》以及GB 50157—2013《地鐵設計規范》中所要求的750 V直流牽引供電系統電壓及其波動范圍。牽引網饋電形式為直流雙導線制，正極、負極供電軌均不接地，設置了貫通全線的專用接地軌。

2 浦江線牽引供電系統總體設計

浦江線的中壓供電網絡采用AC 35 kV供電電壓，牽引供電系統采用DC ±375 V供電電壓。變壓器的連接組別為Dd0y11，整流器輸出的正、負極通過電阻接地，共有2個單獨的750 Ω電阻，其中一個將整流器正極輸出連接到地面，另一個將整流器負極輸出連接到地面。供電網絡電壓的額定值為DC 750 V，允許的波動范圍為525～900 V。正線和車輛段的牽引網均采用接觸軌。

浦江線牽引變電所直流饋線側為單母線分段接線形式。正常運行時，母線聯絡隔離開關斷開，2臺整流機組分列運行，分別負責上行線和下行線牽引供電分區的供電。當1臺整流機組退出運行時，母聯開關閉合，由另1臺整流機組負責該所上下行線牽引供電分區的供電。

當某一牽引網供電分區發生短路故障時，故障所在供電分區上的所有饋電開關將聯跳，聯跳后應首先斷開各供電分區之間的聯絡接觸器柜。可將直接連接到故障供電分區的直流饋電開關柜和軌旁電分段開關柜斷開，以實現故障隔離。

當對某一供電分區進行維護時，需要斷開該分區所對應的直流開關柜，并通過接地裝置將該供電分區的正、負極供電軌可靠接地。在維修人員進入道岔供電分區、檢修線或停車線等區域進行維護時，則需要將此供電分區的軌旁開關接地，實現正、負極供電軌可靠接地。軌旁開關接地前，應先斷開接地柜內的雙極接觸器開關。接地柜內的雙極接觸器和雙極接地隔離開關之間的合閘聯絡通過硬線連鎖實現。

2. 1 四軌供電設計

與一般的城市軌道交通牽引供電系統大多采用直流接觸網(或接觸軌)供電，以走行軌作為回流通路的牽引網方案不同，浦江線的接觸軌系統采用四軌供電方式，其接觸軌系統設計中包含有完全絕緣安裝的正極供電軌和負極供電軌，以及貫通全線安裝的非載流接地軌。正、負極供電軌分別通過絕緣支架安裝于鋼制導向軌頂部，接地軌通過單獨的接地軌支架安裝于正、負極供電軌之間。正、負極供電軌以及接地軌全部采用鋼鋁復合軌，供電軌與集電靴的接觸面為不銹鋼材質。浦江線接觸軌典型安裝形式如圖2所示，具備了使用壽命長、維護及更換簡單等優點。

2. 2 供電系統綜合接地設計

浦江線接觸軌系統中采用沿軌道的非載流專用接地軌設計，該接地軌為PBTS膠輪路軌APM車輛的車體提供了持續可靠接地。接地軌通過接地分流電纜按等間距與導向軌連接，導向軌與導向軌之間通過接地跨接電纜連接，從而實現了導向軌的全線電氣連通。導向軌以多點接地連接形式分別與變電所綜合接地網、車站綜合接地網，以及沿線專用接地極連接，構成了供電系統的綜合接地。接地軌接地電阻小于5 Ω。

圖2 浦江線接觸軌典型安裝示意圖

由于PBTS膠輪路軌APM車輛的接地靴與接地軌持續可靠接觸，車體與接地安裝的站臺門框架間為等電位，不存在接觸電勢差，因此可有效保障乘客的出行安全。

2. 3軌旁接觸器開關柜

在浦江線供電系統設計中，采用雙極接觸器開關作為軌旁電分段開關柜和接地開關柜的柜內主開關，實現供電分區的供電和接地操作。接觸器開關具有操作頻率高、機械壽命和電氣壽命長的特點，對于需頻繁操作的工況尤為適用。

1) 電分斷開關柜：主要應用于連接2段電氣隔離的供電分區，柜內設有1臺雙極接觸器及有壓檢測裝置。接觸器具備多次分合能力，使用壽命長。當電分斷接觸器閉合時，可將一個接觸軌供電分區上的牽引電力傳送給另一個供電分區。

2) 接地開關柜：一般用于連接道岔區的供電軌和檢修線的供電軌，用于實現道岔區和檢修線供電軌的供電和接地操作。接地開關柜內設有雙極接觸器、雙極隔離開關和有壓檢測裝置。當接地開關柜內的接觸器閉合時，牽引電力被饋送到道岔區或檢修線的接觸軌上；當此接觸器斷開時，可通過閉合接地柜內的接地隔離開關，實現道岔區或檢修區的接觸軌安全接地，此時方可允許實施人工檢修和維護等工作。

3 浦江線牽引供電系統的設計創新

3. 1 國內首次實現了四軌供電方式

浦江線采用的四軌供電方式從根源上消除了雜散電流的腐蝕影響。在采用走行軌為回流通路的城市軌道交通中，會因走行軌泄漏電阻值減小導致產生雜散電流，而浦江線APM采用的DC ±375 V供電系統中，設有完全絕緣安裝的負極軌。按照英國標準BS_EN_50122-2《鐵路設施 固定設備 直流牽引系統引起的雜散電流效應保護措施》標準說明，在直流饋電導體與走行軌無電氣連接的情況下，一般不會產生雜散電流。

3. 2 雜散電流的設計預防措施

為了從根源上限制雜散電流的產生，主要采用了以下雜散電流防護措施：

1) 完全絕緣安裝的供電軌。PBTS膠輪路軌APM車輛采用橡膠輪胎，因此，其混凝土運行軌道不需像傳統的鋼輪車輛系統那樣，作為供電系統的回流軌。 在浦江線供電系統中使用了專用的接地軌，該接地軌通過車輛的接地靴及接地電纜與車體持續連接。所有牽引電力導線，無論是正極還是負極，都完全相互絕緣并對地絕緣。該設計方案使供電軌對大地具備非常高的電阻值。因此，泄漏電流可忽略不計。

兩個男人一塊來買東西，也許有點觸目，不但可能引起司機的注意，甚至于他在閣樓上看見了也犯疑心，拖延著不下來。略一僵持就不對了。想必他們不會進來，還是在門口攔截。那就更難扣準時間了，又不能跑過來，跑步聲馬上會喚起司機的注意。——只帶一個司機，可能兼任保鏢。

2) 供電軌具備極低的電阻。供電軌用鋁制成，其等效橫截面積為1 339 mm2，常規條件下的直流電阻約為0.026 Ω/km。負載電流將沿著該阻抗最低的供電路徑回流，而不是通過接地回路回流。

3) 運行于對地DC ±375 V電壓。不同于常規第三軌供電系統中正極電壓為DC +750 V，浦江線供電系統中正極軌工作在DC +375 V，負極軌工作在DC -375 V。完全絕緣的供電軌上的較低對地電位，可降低系統產生雜散電流的可能。由于負極軌工作在DC -375V，接地系統的電壓為0，此時接地的導向軌是相對于負極的較高電位，從而也降低了系統產生雜散電流的可能。

3. 3 供電系統接地方案的創新

如圖3所示，在浦江線DC ±375 V供電系統中，牽引整流器輸出的正、負極兩相分別通過一個750 Ω的接地電阻進行接地。該接地電阻將牽引整流器的DC 750 V輸出電位鉗制在±375 V。

當DC ±375 V供電系統發生單相接地故障時，在任意一極電路接地后，其電壓將被限制為0，其與另一極之間的壓差仍然保持為750 V，因而，并不影響列車的正常運行，從而提高了系統的可用性。

圖3 浦江線整流器輸出電阻接地連接示意圖

由于整流器輸出采用大電阻接地，在發生單極接地故障時，故障電流將小于1 A，且設置在整流器輸出端的接地故障檢測裝置可以檢測到該接地電流故障，并將接地故障報警信號發送至控制中心，以便運營人員對接地故障進行及時地定位和處理。

不同于傳統地鐵制式中的列車車體與走行軌等電位且對地絕緣，浦江線創新地采用整流器輸出大電阻接地設計方案，既考慮了供電系統運行的安全性，又提高了整個APM系統的可用性。

3. 4 供電分段設置的創新

優于傳統地鐵僅在牽引變電所處設置供電分段,在浦江線接觸軌供電分段設計中，在每個道岔區都實現了獨立的供電分區。因此，浦江線的運營模式比傳統的地鐵更為靈活，可最大程度地滿足行車與供電分段的匹配性。

浦江線供電系統在正常運行時，軌道上所有電分斷開關柜及聯絡接觸器柜均為閉合。在該模式下，全線接觸軌電分段處的左、右電勢差被消除，這減輕了車輛集電靴在過渡電分段時產生的電弧放電腐蝕現象，減少了接觸軌電氣磨損，進而降低了接觸軌的維護需求。

此外，由于電分段開關柜的閉合，全線接觸軌構成了一個整體電氣連通的牽引網。當線路上有多列車運行時，由列車制動產生的再生反饋電能可在牽引網內直接被其他正在運行的列車負載消耗，從而實現了高效的列車制動能量再利用，達到了很好的節能效果。

4 結語

1) 區別于一般地鐵線路中的接觸網或第三軌供電形式，浦江線供電系統通過創新的四軌供電方式設計，從根源上消除了雜散電流，使浦江線不會對周圍環境產生雜散電流影響，解決了雜散電流帶來的困擾。線路中無需安裝雜散電流檢測和腐蝕控制系統設備，如單向導通裝置、雜散電流收集網、雜散電流檢測系統、雜散電流腐蝕控制系統等，節省了牽引供電系統中與雜散電流和腐蝕控制相關的建設投資。

2) 通過專用的接地軌設計，浦江線從根源上解決了傳統地鐵中存在的跨步電壓危險，站臺門框架無需絕緣安裝，變電所內直流設備無需框架保護裝置，車站也無需設置軌電位限制系統，降低了系統建設成本。

3) 浦江線牽引供電系統具備在單相接地故障情況下不影響列車運行的能力，這為排除接地故障提供了一個緩沖期，為線路調整行車組織、尋找故障原因以及系統恢復提供了充足的時間，為浦江線能夠長時間穩定運行創造了條件。